高墩大跨混凝土连续刚构桥抗震性能试验研究

摘要

高墩大跨混凝土连续刚构桥具有造型优美、跨越能力强、施工方便、造价较低等优点，在我国山地林区特别是西部地震多发区广泛应用。由于缺少震害经验和系统的研究成果，高墩大跨混凝土连续刚构桥的抗震设计比较茫然，具体工程设计都偏于保守，既造成很大浪费，又缺乏对桥梁真实的抗震性能表现的准确认识。深入总结该类桥型的震害经验并系统地开展其抗震性能研究具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　本文以墩高126米的牛栏江大桥为例，通过实桥测试、模型试验和数值分析等手段，系统深入地研究了高墩大跨混凝土连续刚构桥的抗震性能，探讨其极限抗震能力和抗震薄弱环节，为该桥型的工程设计提供参考依据。具体工作成果如下。
　　1.完成了牛栏江大桥动力特性测试。利用环境激励和行车驶过障碍引起的激励，获得了桥梁横桥向、纵桥向和垂直向振动模态。据此判断该桥横桥向相当于约束最少的悬臂梁，属抗震薄弱方向。进一步通过MIDAS有限元程序对该桥的各阶模态进行了数值模拟计算，得到了与实测模态相吻合的结果。
　　2.按照1∶12的比例设计建造了迄今最大规模的高墩大跨混凝土连续刚构桥模型(Ⅰ)，模型为4墩3跨，长24m，高12m。应用伪动力实验技术对桥梁模型进行了抗震性能试验，结果表明，该桥具有很强的抗震能力，即使遭遇PGA达到1.5g的强烈地震作用也仅在墩底出现中等程度的弯曲型破坏。为了增加试验样本，对模型Ⅰ进行加固，墩身截面增加近一倍，得到一个固有周期大幅降低的另一桥梁模型(Ⅱ)，按照相似的步骤实施伪动力试验，得到了类似的破坏模式，但模型(Ⅱ)极限抗震能力比模型(Ⅰ)降低20％以上。
　　3.完善了伪动力实验方法。自行设计搭建了与既有结构加载系统配套了的集发送指令、采集反馈信号、求解动力平衡方程等功能于一体的伪动力实验控制系统;采用预应力方法在墩身中心竖轴施加轴向力，模拟重力荷载效应。
　　4.详细调查了汶川地震时受损的高墩大跨混凝土连续刚构桥案例，即距震中仅16km的庙子坪大桥。分析了其震害与结构构造的关系，阐明边跨摆尾进而造成支座、梁端及挡块等严重破坏是高墩大跨混凝土连续刚构桥震害最主要表现。通过弹塑性数值模拟，再现了边跨摆尾的过程，并提出通过设置含金属橡胶挡块及防落梁油阻尼器可以有效控制摆尾引起的震害。
　　综合上述研究结果可以看出，现行设计的高墩大跨混凝土连续刚构桥整体上具有很强的抗震能力，即使遭遇意外强烈地震的作用，也仅在墩底出现弯曲型破坏。这样的破坏模型可以充分发挥钢筋的抗拉强度，使桥墩表现出较好的延性，避免倒塌。但是，研究也暴露出该桥型边跨摆尾及相应撞击、碾搓导致的破坏是其抗震薄弱环节，对此提出了具体建议。
　　通过高墩大跨结构混凝土连续刚构桥的结构数值分析及两个实体模型的伪动力试验，表明该类桥型具有极强的抗震能力，明确了在强震作用下高墩大跨结构桥梁的薄弱环节和抗震破坏机理。本论文的研究结果可为该类桥梁的研究及设计提供科学依据。

目录

摘要

1 综述

1．1 本论文研究的目的和意义

1．2 地震的危害

1．3 地震对桥梁工程的影响

1．3．1 国外桥梁震害

1．3．2 国内桥梁震害

1．4 高墩混凝主刚构桥抗震研究的现状

1．4．1 国外桥梁抗震性能研究现状

1．4．2 国内桥梁抗震性能研究研究现状

1．5 本论文的主要研究内容

2 高墩大跨刚构桥现场模态测试与数值分析

2．1 高墩大跨连续刚构桥现场测试

2．1．1 大桥现场测试方案

2．1．2 大桥顺桥向测试及分析

2．1．3 横桥向测试及数据分析

2．1．4 大桥垂直桥向测试与分析

2．2 高墩大跨刚构桥的数值分析

2．2．1 桥梁模型构建

2．2．2 结构反应谱分析

2．3 本章小结

3 高墩大跨混凝土连续刚构桥实体模型Ⅰ试验及分析

3．1 地震试验概述及相关理论

3．1．1 模拟地震台试验

3．1．2 伪动力试验

3．1．3 伪动力试验的数学依据

3．1．4 单自由度体系计算

3．1．5 地震动频谱理论

3．1．6 模型设计相似关系

3．2 高墩大跨刚构桥试验模型Ⅰ设计与制作

3．2．1 原桥概况

3．2．2 模型设计及施工制作

3．3 高墩大跨刚构桥模型Ⅰ伪动力试验及分析

3．3．1 试验参数确定

3．3．2 高墩大跨刚构桥模型Ⅰ试验结果

3．3．3 试验结果分析

3．4 工程实例验证

3．4．1 地震概况

3．4．2 震害调查及分析

3．5 本章小结

4 高墩大跨混凝土连续刚构桥模型Ⅱ试验与分析

4．1 高墩大跨混凝土连续刚构桥实体模型Ⅱ制作

4．1．1 模型Ⅱ的设计

4．1．2 模型Ⅱ制作

4．2 高墩大跨刚构桥模型Ⅱ伪动力试验

4．2．1 试验准备

4．2．2 模型Ⅱ试验结果

4．3 试验数据分析

4．4 本章小结

5 边跨“摆尾”的数值模拟分析

5．1 边跨“摆尾”的提出及现象描述

5．2 “摆尾”的危害

5．3 “摆尾”的数值分析

5．4 伪动力试验中的桥梁“摆尾”

5．5 桥梁“摆尾”的解决方法

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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